IO控制方式

低速IO设备

数据流：键盘→IO接口的数据寄存器→数据总线→CPU某寄存器→主存（指定变量位置）

高速IO设备

DMA控制方式:

主存和高速IO设备之间有一条直接数据通路，CPU向DMA接口发出读写命令，指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等，DMA控制器自动控制磁盘和主存的数据读写，每完成一整块数据读写，才向CPU发出一次中断请求

通道控制方式：

通道是一种特殊功能的处理器，可以对IO设备统一管理，它可以识别并执行一系列通道指令

IO系统基本组成

由IO硬件和软件两部分组成

IO硬件

包括外部设备，IO接口和IO总线等

IO软件

包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等

通常采用IO指令和通道指令实现主机和IO设备的信息交换

• IO指令：CPU指令的一部分

  

  操作码指明CPU对IO接口做什么，命令码指明IO接口对设备做什么

• 通道指令：提前编好放在主存中

  在含有通道的计算机中，CPU执行IO指令对通道发出命令，由通道执行通道指令，代替CPU管理IO设备

IO接口

包括输入设备，输出设备和外存设备

作用

• 数据缓冲：通过数据缓冲寄存器DBR打到工作和外设工作速度的匹配
• 错误或状态检测：通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息，供CPU查用
• 控制和定时：接受从控制总线发来的控制信号、时钟信号
• 数据格式转换：串-并、并-串等格式转换
• 与主机和设备通信：实现主机-IO接口-IO设备之间的通信

工作原理

编址

统一编址

把IO端口当作存储器的单元进行地址分配，可以靠不同地址码区分内存和IO设备，统一的访存类的指令都可以访问IO端口，又称存储器映射方式

常用于RISC

优点：

不需要专门的输入输出指令，所有访存指令都可以直接访问端口，设计灵活性高

端口有较大编址空间

读写控制逻辑电路简单

缺点：

占用主存地址空间

外设寻址时间长，位数多，译码速度慢

独立编址

IO端口地址和存储器地址无关，独立编址，靠不同指令区分内存和IO设备，只能用专门的IO指令访问IO端口，又称IO映射方式

优点：

使用专用IO指令，程序编制清晰

IO端口地址位数少，译码速度快

IO端口地址不占用主存地址空间

缺点：

指令类型少，设计灵活性差

需要CPU提供存储器读写，IO设备读写两组控制信号，增加电路复杂性

类型

IO方式

程序查询方式

例：x86中的IO指令

IN Rd, Rs：把IO端口Rs的数据输入到CPU寄存器Rd

OUT Rd, Rs：把CPU寄存器Rs的数据输出到IO端口Rd

例：打印几个字符

• 首先将要打印的字符放入寄存器R0，将OUT的命令字放入寄存器R1
• 把R1的命令字输出到Rn+1的控制寄存器
• CPU通过地址线指明输出地址为n+1， 控制线传输写操作
• IO控制逻辑根据CPU送来的命令字，向对应外设发出对应控制信号
• 打印机启动并给IO接口返回状态，IO控制逻辑将打印机当前状态存入状态寄存器
• CPU轮询使用IN指令获取状态寄存器中的状态，判断是否为就绪状态
• 若某次轮询是就绪状态，CPU可以给打印机输出第一个字符，首先通过地址线指明输出地址为Rn，控制线传输写操作，通过数据线把第一个字符写入数据缓冲寄存器Rn
• IO控制逻辑把Rn内的当前字符信息通过线输出给打印机，打印时返回忙碌状态，完成后通过状态接口返回，同样通过IO控制逻辑处理
• CPU轮询到就绪状态后继续重复上述操作，传入第二个字符
• 所有字符输出后，打印机最后给IO控制逻辑返回完成状态，当CPU判断所有数据输出完成，CPU给Rn+1控制寄存器发出一个停机命令，通过IO控制逻辑传给打印机，打印机停止

程序中断方式

概念

执行某些程序的过程中，出现某些急需处理的情况或请求，CPU暂时中止现行操作，对这些异常情况进行处理，处理完后又自动回到先行程序的断点处，继续执行原程序

工作流程

• 中断源向CPU发送中断请求信号
• 若处于关中断状态，则不响应中断信号
• 否则响应中断条件，若多个中断源同时提出请求，中断判优逻辑选择响应一个中断源
• 中断处理：通过中断隐指令改变PC的指向，执行中断服务程序

关中断

作用：实现原子操作

当CPU的PSW寄存器中IF位为1时，表示开中断，否则为关中断

有一种非屏蔽中断在关中断时也会被响应（如掉电）

中断请求标记

终端系统对每个中断源设置中断请求标记触发器INTR，状态为1时，表示中断原有请求，这些触发器组成中断请求标记寄存器

对于外中断，CPU在统一时刻即每条指令执行阶段结束前向接口发出中断查询信号，来获取IO中断请求，即响应中断的时间是指令执行阶段的结束时刻

响应中断满足条件：

• 中断源有中断请求
• CPU处于开中断
• 一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务

中断判优

• 硬件实现：硬件排队器
• 软件实现：查询程序

优先级设置：

中断处理过程

中断隐指令

主要任务：

• 关中断：为了保存中断现场期间不被新的中断打断
• 保存断点：保证中断服务程序执行完毕后能正确回到原来程序，把原来程序的断点（PC的内容）保存起来，可以存入堆栈或指定单元
• 引出中断服务程序： 取出中断服务程序入口地址并传给PC
  • 软件查询法
  • 硬件向量法

中断服务程序

• 保护现场：保护通用寄存器和状态寄存器的内容，以便返回原程序后可以恢复CPU环境，可以使用堆栈或特定存储单元
• 中断服务：主体部分，如键盘输入，打印机输出
• 恢复现场：通过出栈或取数指令把之前保存的信息送回寄存器中
• 中断返回：开中断，通过中断返回指令回到原程序断电处

多重中断

执行中断服务程序时可能响应新的中断请求

中断屏蔽技术

用于多重中断，CPU要具备多重中断的功能，要满足下列条件：

• 中断服务程序中提前设置开中断指令
• 优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源

每个中断源都有一个屏蔽触发器，1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请，所有屏蔽触发器组合在一起构成一个屏蔽字寄存器，内容称为屏蔽字

• 一般用1表示屏蔽，0表示正常申请
• 每个中断源对应一个屏蔽字，在处理该中断源的中断服务程序时，屏蔽寄存器中的内容为该中断源对应的屏蔽字
• 屏蔽字中1越多，优先级越高，每个屏蔽字中至少有一个1，能屏蔽自己的信号

DMA方式

步骤

结构

特点

同时使用主存

当CPU和IO设备同时访问主存时，可能发生冲突，DMA和CPU通常有以下三种方式使用主存：